Опубликован 25.11.2020 года.
В 80-х годах прошлого века обратил внимание на одну интересную идею полусферического реактивного двигателя, автором которой являлся руководитель авиамодельного кружка дворца пионеров г. Благовещенска Попов Николай Иванович. Такой двигатель он планировал применить для привода лопастей вертолёта в качестве альтернативы прямоточному реактивному двигателю, который на относительно малых скоростях мало эффективен и не экономичен.
Схематически такой полусферический реактивный двигатель представлен на рис. № 5.1.
Рис. № 5.1. Полусферический реактивный двигатель, предложен Поповым Николаем Ивановичем.
Основа двигателя – стальная полусфера. Полусфера по диаметру окружена кольцевым соплом, которое заканчивается воздухозаборником. Посредине полусферы – топливная форсунка.
На основании заявленного, в 1999 году компании МАККИНЗИ была предложена простейшая конструкция дозвуковой дефлаграционной радиально-аксиальной горелки согласно рис. № 5.2 для проведения опытно-конструкторских работ (ОКР) в нагревательном оборудовании.
МАККИНЗИ в те времена занималась оптимизацией, в том числе и нагревательного оборудования одной металлургической компании РФ.
Рис. № 5.2. Полусферическая дефлаграционная газовая горелка
Предполагалось, что такая конструкция горелки более эффективно будет сжигать топливовоздушную смесь. Уменьшится расход газа.
Такое заключение основывалось на простом явлении, которое известно, но до конца не объяснено. Если взять обычный баллон со сжатым воздухом и пустить через кольцевое сопло в фокус полусферы, то на выходе энергетические характеристики потока вырастут процентов на 10.
Предположительно это связано с следующими друг за другом волнами сжатия и разряжения. На крутильных весах этот эффект проявляется небольшим увеличение силы тяги.
В конструктивном плане основа горелки, это стальная полусфера. Полусфера по диаметру окружена кольцевым соплом, которое заканчивается воздухозаборником. Посредине полусферы – газовая форсунка. В такой схеме прослеживается простая зависимость эффективности работы горелки от:
— Расхода газа,
— Расхода воздуха,
— Проходного сечения сопла.
Опытно-конструкторские работы по проверке идеи можно было достаточно просто организовать. Газ смешивается с воздухом в полусфере в момент его радиального сжатия в фокус. Происходит поджог готовой топливовоздушной смеси. Формируется направленная дозвуковая волна дефлаграционного горения топливовоздушной смеси. При покидании полусферы в ней формируется разряжение, в которое подаётся газ и воздух. Далее цикл повторяется.
Предположения:
1. Предполагалось, что за счёт выше поименованного явления тепловая эффективность горелки увеличится на 10%.
2. Предполагалось, что за счёт пульсирующего сгорания газа его потребление снизится минимум на 10 %.
К сожалению заявленная идея в 1999 году не получила дальнейшего развития, т.к. МАККИНЗИ сочла идею — околонаучным бредом!
Дальнейшие опытно-конструкторские работы проводились собственными силами для целей подтверждения заявленных выше предположений.
Рис. № 5.3. Внешний вид дефлаграционной полусферической горелки.
Тестировалась одна горелка (см. рис. № 5.3), в двух ниже поименованных режимах при одинаковом расходе воздуха и газа. Особенность работы заключается в том, что пульсации в заявленной горелке начинают проявляться только с определённого значения уровня расхода первичного воздуха горения. Такое значение в экспериментах для ниже поименованных случаев было выбрано одинаковым. Т.е. можно сказать, что при относительно небольшой скорости радиального истечения воздуха из сопла не происходит повышение давления в фокусе сферы до уровня формирования следующих друг за другом волн сжатия и разряжения. И как следствие, горелка превращается в классическую проточную горелку с худшими характеристиками, связанными с дополнительными потерями на поворот воздушного потока на 90 градусов.
РЕЖИМ 1.
Классический прямоточный подвод воздуха горения (режим работы классической прямоточной горелки). Воздушное кольцевое сопло имеет проходное сечение, не формирует строго радиальный поток. Формируется аксиальный воздушный поток для смешивания с газом согласно классике прямоточных современных горелок.
РЕЖИМ 2.
Радиальный подвод воздуха горения (режим работы заявленной аксиально-радиальной горелки). Воздушное кольцевое сопло имеет проходное сечение, которое формирует радиальный поток с последующим формированием волн сжатия/разряжения в фокусе сферы. Замечание – пульсации начинают проявляться только с определённого значения уровня расхода первичного воздуха горения.
Результаты экспериментов подтвердили все заявленные выше предположения.
В последствии конструкция горелки была незначительно доработана. Это было связано с местом подвода газа и воздуха для использования в каком – либо специальном технологическом процессе производства.
Варианты исполнения газовой горелки с центральным подводом газа представлен на рис. № 5.4.
Рис. № 5.4. Полусферическая дефраграционно-резонансная газовая горелка.
Если для технологических целей нужен ввод в фокус полусферы дополнительных мелкодисперсных продуктов, например, для пиролиза и т.п., то конструктивное исполнение дефлаграционно-резонансной горелки представлено согласно рис. № 5.5.
Рис. № 5.5. Полусферическая дейфлаграционно-резонансная горелка с дополнительным вводом в фокус горения различных веществ.
Варианты дефлаграционного горения в зависимости от режимов работы горелки представлены на рис. № 5.6
Рис. № 5.6. Варианты дефлаграционного горения в зависимости от режимов работы горелки
К сожалению такие типы дефлаграционно-резонансных горелок не получили дальнейшего развития по объективным причинам.
Эффективность дозвуковых горелочных устройств в любом случае ограничена физическими законами дозвукового горения.
Это значит, что заявленная дефлаграционно-резонансная горелка хоть и более эффективна, чем классические горелки различных конструктивных исполнений (вихревые, полно проточные и т.п.), но в любом случае ограничена физическими законами дозвукового горения.
Выход один! Нужно переходить от дозвукового горения к сверхзвуковому управляемому детонационному горению.
Таким образом в 1999 году благодаря некомпетентности компании МАККИНЗИ в этом вопросе была заложена основа предлагаемого в настоящее время нового технологического тренда в промышленности.